Montag, 16. Juni 2025 · 0 min read
Strukturelle Zustandsüberwachung eines Eisenbahnviadukts
Eine Eisenbahnbrücke in Saudi-Arabien wurde rund 80 Stunden beobachtet, um ihren strukturellen Zustand zu bewerten. Das Überwachungssystem basierte auf integrierten Sensoreinheiten von Dewesoft. Hauptziel war es, Messdaten vor, während und nach der Überfahrt von Zügen zu erfassen. Die spezifisch quantifizierten Ergebnisse ermöglichten eine Diagnose zur Sicherstellung der strukturellen Integrität der Brücke im laufenden Betrieb.
Die strukturelle Zustandsüberwachung ist ein Instrument zur Sicherstellung der Integrität und Betriebssicherheit von Ingenieurbauwerken. Sie dient der Erkennung von Schadensentwicklungen und der Bewertung von Leistungsminderungen. Anhand gemessener Systemantworten lassen sich Rückschlüsse auf Material- und Geometrieänderungen ziehen und das Langzeitverhalten des Bauwerks bewerten. Die kontinuierliche Überwachung des mechanischen Zustands von Bauwerken liefert nützliche Informationen für die Instandhaltung und kann dazu beitragen, Katastrophen zu verhindern.
In diesem Fall wurde die Überwachung von ACTS, Advanced Construction Technology Services im Auftrag eines Kunden durchgeführt. ACTS ist auf Bauberatungsdienstleistungen in den Bereichen Werkstoffe und Geotechnik spezialisiert. Das Unternehmen ist im gesamten Nahen Osten, Afrika und Südostasien tätig, hat seine Zentrale in Beirut (Libanon) und verfügt über drei lokale Niederlassungen in Saudi-Arabien.
Die arabische Wüste wird von ausgetrockneten Flussläufen – sogenannten Wadis – durchzogen, die nur während der Regenzeit Wasser führen. Der auch als OW8 (Over Wadi No. 8 Bridge) bezeichnete Urayja-Viadukt ist eine von mehreren Brücken im Königreich Saudi-Arabien, die solche Wadis überqueren. Er befindet sich in der zentralen Wüste Saudi-Arabiens in der Region Ḩa'il in der Nähe der kleinen Stadt Urayja, etwa 565 km nordwestlich der Hauptstadt Riad.
OW8 gliedert sich in sieben Felder mit je vier vorgespannten Stahlbetonträgern, die durch eine Stahlbetonfahrbahnplatte samt Brüstungen abgeschlossen sind. Die Spannweite der Felder beträgt jeweils 20 m, und das Bauwerk umfasst sechs Pfeiler und zwei Widerlager. Als Lager dienen Fundamentplatten (Bettungen) mit Ankerstäben. Die runden Platten auf den Trägern und Fundamentplatten bestehen vermutlich aus einem elastomeren Material, jedoch sind die diesbezüglichen Angaben in den Bestandszeichnungen nicht eindeutig.
Die Brücke wurde 2013 gebaut, und die Bestandszeichnungen sind auf Januar 2014 datiert. Für diese Studie wurde das Feld zwischen Pfeiler 4 (PRT 4) und Pfeiler 5 (PRT 5) untersucht, wobei die Sensoren an der Untersicht und an den Trägerstegen angebracht wurden.
Die Fahrbahnplatte ist als Stahlbetonplatte mit einem Gehweg ausgeführt. In die Platte sind zwei Brüstungen und eine Schotterhaltemauer integriert.
Messaufbau
Zur Überwachung der Struktur auf die vorgeschriebenen Antwortkennwerte wurde ein hochmodernes Überwachungssystem mit folgenden Komponenten installiert:
IP67-Schrank
Industrie-PC
24-V-Stromversorgung für den Industrie-PC
drei PoE-Injektoren – IOLITE-Power-Injector
Das Datenerfassungssystem bestand aus den folgenden Sensoren:
sechs triaxiale Beschleunigungssensoren – IOLITEi-3xMEMS-ACC
sechs biaxiale Neigungssensoren – IOLITEi-3xMEMS-ACC-INC
acht anschraubbare Dehnungsmessstreifen – IOLITEi-1xSTG
Das EtherCAT-Protokoll erlaubt eine einfache Verteilung der IOLITE-Geräte über große Strukturen. Möglich sind Knoten-zu-Knoten-Abstände von bis zu 50 m mit nur einem einzigen Kabel für Signalübertragung, Stromversorgung und Synchronisation.
Die Geräte werden mit einem Standard-Ethernet-Netzwerkkabel in Reihe verbunden. Dieses Kabel sollte geschirmt sein (SFTP, CAT5e) und einen Drahtdurchmesser von mindestens 24 AWG aufweisen und muss 4 Adernpaare haben. Der maximale Knoten-zu-Knoten-Abstand beträgt 50 Meter.
Für die Zusammenfassung des EtherCAT-Signals und der Stromversorgung in einem Kabel wird ein passiver Power-over-Ethernet-Injektor benötigt.
Beschleunigungssensoren
IOLITE-3xMEMS-ACC ist eine integrierte Messeinrichtung. Beschleunigungen werden mit Hilfe eines im Gerät installierten triaxialen MEMS-Beschleunigungssensors gemessen, der fest mit dem mechanischen Aufbau verbunden ist. Die Analog-Digital-Wandlung erfolgt innerhalb des Gerätes, wodurch jegliche Rauschaufnahme durch eine analoge Verkabelung vermieden wird. Die Beschleunigungsmesswerte werden von einem Mikroprozessor im Gerät per EtherCAT-Protokoll übertragen.
Da geringe Schwingungspegel gemessen werden müssen, sind extrem rauscharme Beschleunigungssensoren erforderlich. Obwohl vor allem niedrige Frequenzen von Interesse sind, muss es dennoch möglich sein, auch kleinste Veränderungen der Schwingungsfrequenz zu erfassen.
Neigungsmesser
IOLITE-3xMEMS-ACC-INC fungiert als zweiachsiger Neigungsmesser und misst den Roll- und den Nickwinkel (um die X- und Y-Achse) bei senkrecht stehender Z-Achse. Die Neigung auf zwei Achsen wird durch einen im Gerät integrierten biaxialen MEMS-Neigungssensor erfasst, der fest mit dem mechanischen Aufbau verbunden ist.
Die Analog-Digital-Wandlung erfolgt innerhalb des Gerätes, wodurch jegliche Rauschaufnahme durch eine analoge Verkabelung vermieden wird. Die erfassten Winkeldaten werden von einem Mikroprozessor im Gerät per EtherCAT-Protokoll übertragen.
Dehnungsmessstreifen
Der SNS-STG ist ein Dehnungsmessstreifen, der in ein zum Anschrauben an die Struktur ausgelegtes Gehäuse integriert ist. Die Nennausgangsspannung des Sensors beträgt 1,5 mV/V bei 1000 Mikrodehnungen.
Der Sensor ist mit dem IOLITE-Datenerfassungsgerät IOLITE-1xSTG verbunden, das analoge Daten in digitale Daten umwandelt und diese per EtherCAT-Protokoll überträgt.
Datenlogging
Alle Datenerfassungsgeräte wurden mit einem einzigen CAT6-Kabel für Stromversorgung, Datenübertragung und Synchronisation in Reihe verbunden. Die Daten werden an einen eingebetteten Datenlogger-PC weitergeleitet, auf dem die Datenerfassungssoftware DewesoftX läuft. Diese Software ermöglicht die Visualisierung von Live-Messdaten, deren triggerbasierte Speicherung sowie die Analyse der Datendateien.
Mit geringem Konfigurationsaufwand und ohne besondere Programmierkenntnisse können fortschrittliche ingenieurwissenschaftliche Verfahren in der DewesoftX-Software implementiert werden. Dazu gehören:
Das Gleiche gilt für die Speicherung der Daten in einer Datenbank, den Export in Softwareformate von Drittanbietern und die Datenübertragung über Standardprotokolle wie OPC UA.
Datenerfassungssoftware
Die Überwachungssoftware erfüllt unter anderem die folgenden Funktionen:
Erfassung von Signalen von allen Sensoren
Messdaten-Visualisierung in Echtzeit
Alarmierung bei festgestellten Anomalien
Datenspeicherung
Konvertierung/Speicherung der Daten in einem Datenbankserver zur weiteren Verarbeitung
Die folgenden Grafiken zeigen die Messwerte über einen Zeitraum von 1 Minute und 29 Sekunden während der Überfahrt des Zuges Nr. 400120. Bei diesem Zug handelte es sich um einen Phosphat-Güterzug mit 4 Lokomotiven und insgesamt 124 Waggons, der mit einer Geschwindigkeit von 100 km/h in Abwärtsrichtung fuhr.
Fazit
Die Auswahl der Sensoren und Datenerfassungsgeräte sowie die Systemintegration wurden vollständig von Dewesoft übernommen. Das Unternehmen testete das System vor der Lieferung, entwickelte eine spezifische Benutzeroberfläche und erstellte Berichte gemäß den Anforderungen unseres Kunden. Das sparte uns viel Ingenieurzeit.
Mohamed von ACTS
IOLITE ist ein maßgeschneidertes Datenerfassungsgerät für Structural-Health-Monitoring-Lösungen mit einem optimalen Preis-Leistungs-Verhältnis – speziell entwickelt für die permanente Zustandsüberwachung von Bauwerken wie Brücken.
Obwohl das System verkabelt werden musste, konnten wir die Installation dank der vor Ort konfektionierbaren RJ45-Stecker sehr zügig durchführen. Die verwendeten CAT6-Kabel sind zudem sehr kostengünstig und problemlos in jedem Fachhandel erhältlich.
Mohamed von ACTS
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